Raketbränsle

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 februari 2020; kontroller kräver 33 redigeringar .

Raketbränsle  - ämnen som används i raketmotorer av olika konstruktioner för att få dragkraft och accelerera raketen genom energin från en kemisk reaktion ( förbränning ).

Drivgas ska inte förväxlas med arbetsvätskan i icke-kemiska raketmotorer, såsom kärnkraft eller elektrisk .

Koncept

Raketbränsle är ett eller flera högenergimaterial som används för att driva en raketmotor för att skapa dragkraft . Med utvecklingen av raketteknik kommer utvecklingen av nya typer av raketmotorer, till exempel kärnraketmotorer . Raketbränsle kan vara kemiskt (flytande och fast), nukleärt , termonukleärt.

Flytande kemiskt drivmedel består av två komponenter: oxidationsmedel och bränsle , som finns i raketen i flytande tillstånd i olika tankar . Deras blandning sker i förbränningskammaren på en raketmotor med flytande drivmedel , vanligtvis med hjälp av injektorer . Bränslekomponenternas tryck skapas genom driften av en turbopump eller deplacementsystem, som också kan involvera komponenter i bränsleparet. Dessutom används drivmedelskomponenter för att kyla munstycket på en raketmotor med flytande drivmedel . Flytande drivmedel delas in i högkokande, det vill säga de som är i flytande tillstånd vid temperaturer över 298 K (24,85 °C ), och lågkokande, som måste kylas under 298K för lagring och användning [1] . Lågkokande bränslen, vars minst en av komponenterna måste ha en temperatur under 120K (−153,15 °C) kallas kryogena [2] .

Man använder också så kallade raketmonopropellanter, där samma ämne är både oxidationsmedel och reduktionsmedel . När en raketmotor körs på monopropellant inträffar en kemisk självoxidation-självläkande reaktion med deltagande av katalysatorer, eller så fungerar motorn endast på grund av fasövergången av monopropellantämnet, till exempel från ett flytande tillstånd till ett gasformigt tillstånd. tillstånd .

Fast raketbränsle består också av ett oxidationsmedel och bränsle , men de är i form av en blandning av fasta ämnen .

Grupper (grundläggande typer)

Raketbränsle kan delas in i olika grupper i ganska konventionell utsträckning; Huvudgrupperna betraktas vanligtvis enligt följande:

Typer

Kemiska drivmedel Oxidatorer för flytande bränslen Fria radikaler Kärnbränslen

Bränsle för rymdraketer och fordon

Att ta ut rymdfarkoster ur jordens atmosfär och accelerera till omloppshastigheter kräver enorma energikostnader. Raketernas för närvarande använda drivmedel och konstruktionsmaterial säkerställer att massförhållandet vid uppskjutningen och i omloppsbana inte är bättre än 24:1. Därför är massan av en rymdraket vid starten hundratals och till och med tusentals ton . Att lyfta en sådan massa från startplattan kräver överlägsen jetkraft från motorerna. Därför är huvudkravet för bränslet i det första steget av raketer förmågan att skapa betydande dragkraft med acceptabla motordimensioner och bränslereserver. Drivkraften är direkt proportionell mot specifik impuls och drivmedelsmassflöde, det vill säga mindre bränsle med en hög specifik impuls krävs för att sätta samma belastning i omloppsbana. Den specifika impulsen är omvänt proportionell mot förbränningsprodukternas molekylvikt, vilket innebär den låga densiteten av högpresterande bränsle och följaktligen den betydande volymen och vikten av motorns och bränslesystemstrukturen. När man väljer bränslen eftersträvas därför en kompromiss mellan strukturens vikt och bränslets vikt. I ena änden av detta val finns bränsleparet flytande väte + flytande syre med den högsta specifika impulsen och låg densitet. I andra änden finns ett fast drivmedel baserat på ammoniumperklorat med låg specifik impuls men hög densitet.

Utöver bränslets energiförmåga beaktas även andra faktorer. Instabilitet vid förbränning av bränslen kan leda till motorhaverier eller explosioner. Den höga förbränningstemperaturen och sammansättningen av produkterna från förbränning av bränslen ställer ökade krav på design, material och teknik för motorer.

Kryogena drivmedel gör raketen tyngre med värmeisolering, begränsar valet av konstruktionsmaterial till köldbeständiga material och komplicerar design och testning. Därför, i början av rymdåldern, användes bränslen i stor utsträckning, vars ena eller båda komponenterna inte var kryogena: dessa är fotogen + flytande syrebränslen, etc. "stinkande" bränslen som använde hydrazin och dess enklaste derivat ( MMH , UDMH ) som bränsle och kvävetetroxid eller salpetersyra som oxidationsmedel . Dessa bränslen har ganska acceptabla egenskaper, därför används de ofta i vår tid.

Förutom tekniska faktorer är även ekonomiska, historiska och sociala faktorer viktiga. Kryogena drivmedel kräver dyr komplicerad rymdhamnsspecifik infrastruktur för att erhålla och lagra kryogena material såsom flytande syre och väte. Mycket giftiga bränslen, som UDMH, skapar miljörisker för personal och platser där raketplan faller, samt ekonomiska risker för konsekvenserna av kontaminering av territorier i nödsituationer.

Raketer använder för närvarande fyra typer av bränsle för att skjuta upp rymdfarkoster:

  • Fotogen + flytande syre . Ett populärt, billigt bränsle med en suveränt utvecklad bränsleinfrastruktur. Den har bra miljövänlighet, bra densitet. De bästa motorerna ger en specifik impuls (SI) på drygt 300 sekunder vid atmosfärstryck och cirka 335 sekunder i vakuum. Används i: RD-107A (Soyuz - 2.1b LV ), RD-180 ( Atlas-5 LV ), RD-191 ( Angara LV ), Merlin ( Falcon 9 LV ), etc.
  • Osymmetrisk dimetylhydrazin ("heptyl") eller monometylhydrazin + kvävetetroxid ("amyl") . Extremt giftigt bränsle. Men hög förbränningsstabilitet, självantändning av bränsleångan, relativ enkelhet hos bränslearmaturer, enkel förvaring, bra densitet och energiegenskaper förutbestämde dess utbredda användning. Idag görs ansträngningar för att fasa ut UDMH. Möjligheten till långtidslagring lämnar ännu inte ett alternativ till detta bränsle för återanvändbara motorer som används vid omloppsmanövrering av rymdfarkoster. UI närmar sig syre-fotogen-paret. Används i: RD-276 (LV " Proton ").
  • Flytande väte + flytande syre ( LOX / LH2 ). Den mycket låga densiteten och extremt låga lagringstemperaturerna för flytande väte ställer tvivel om effektiviteten av att använda detta bränsle i det första steget av raketer. Det används ofta i de övre stadierna av bärraketer, där prioriteringen av dragkraft minskar och kostnaden för massa ökar. Har utmärkt miljövänlighet. RI för de bästa motorerna vid havsnivå är över 350 sekunder, i vakuum - 450 sekunder. Används i: RS-25 (RN SLS , rymdfärja ), Vulcain (RN " Ariane-5 "), LE-7A (RN H-IIB ), etc.
  • Blandat fast drivgas baserat på ammoniumperklorat . Dyrt bränsle, kräver en hög produktionskultur. Det används i stor utsträckning i västerländsk raketer i de första stadierna (boosters) av raketer på grund av dess höga densitet, lätthet att erhålla betydande dragkraft och enkelheten i designen av fasta drivmedelsmotorer. Av de fyra listade bränslena har det den mest miljöförorenade sammansättningen av förbränningsprodukter. Vanligt användargränssnitt är 250 sekunder. Den används i sidoförstärkarna på rymdfärjan MTKK , SLS - raketen, Ariane-5- raketen , etc.

För närvarande pågår arbete med att introducera ett lovande kryogent bränsle flytande metan + flytande syre . Ett mycket billigt bränsle, när det gäller andra egenskaper upptar det en mellanposition mellan bränslepar av fotogen + flytande syre och flytande väte + flytande syre . Används i: BE-4 (LV Vulcan , New Glenn ), Raptor ( SpaceX Starship ), etc.

Anteckningar

  1. ↑ Raketbränsle (RT) . Encyclopedia of the Strategic Missile Forces . MO RF . Hämtad 11 juni 2021. Arkiverad från originalet 11 juni 2021.
  2. ↑ Cosmonautics: Encyclopedia, 1985 , Cryogenic propellant, sid. 209.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk